基于耗散系统实现电力系统励磁鲁棒非线性控制

1、基于耗散系统实现电力系统励磁鲁棒非线性控制第7卷第3期2003年9月电机与控制ELECTRICMACHINESANDCoNTRoLSept.,2003基于耗散系统实现电力系统励磁鲁棒非线性控制兰海,李殿璞,龚伟,韩冰(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨1.50001)摘要:对单机无穷大系统,通过适当的坐标变换,基于耗散系统的概念,提出了一种新的通过干扰统对动态不确定性的鲁棒性,可抑制干扰对系统的影响.仿真结果表明,提出的励磁控制策略可提高电力系统暂态稳定性.关键词:干扰抑制;耗散系统:鲁棒:非线性中圈分类号:TM712文献标识码:A文章编号:1007-449X(2003)030255一O5

2、Robustnonlinearcontrolforpowersystemexcitationbased?'0ndissiparivesystemLANHai,LIDian-pu,GONGWei,HANBing(AutomationCollege,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Withsuitableco-ordinatetransformation,basedontheconceptofdissipativesystem,anewrobustnonlinearcontrolstrategyviadistu

3、rbanceattenuationforpowersystemresultsshowdearlythattheproposedexcitationcontrolstrategycanenhancetransientstabilityofpowersystem.Keywords:disturbanceattenuation;dissipativesystem;robust;nonlinearl引言随着以大机组,超高压电网为特点的大规模电力系统的迅速发展,改善系统运行的安全稳定性成为日趋重要和紧迫的研究课题.为保证系统安全,稳定和经济运行,有效的方式是采取适当的控制手段.电力系统是一个典型的非线性

4、系统,然而,当前大部分控制装置都是基于电力系统在某个运行点的具有高度非线性,当系统的运行点改变时(如负荷大幅度波动或发生严重故障时),系统的动态特性会显着改变.此时,线性控制规律往往不能满足系统稳定设计控制规律.在电力系统的实际运行中,存在着各种不确定性,干扰对控制系统的影响有可能是巨大的,此时,必须考虑降低干扰对系统的影响,使干扰输入对系稳定性,改善系统动态特性有着十分重要的意义'21.收啊日期:03-一l8作者介:兰海0975-),男,博士研究生,主要研究方向为电力系统非线性控制.配电自动化:李晨襄0934-)男,教授,博士生导师,主要研究方向为非线性控制理论及应用.计算机控制与仿

5、真.工业自动化,船舶运动控制与水下机器人技术等:龚伟090-),男,博士研究生,主要研究方向为非线性控制理论及应用,工业自动化:韩冰(1972一),男,博士研究生,主要研究方向为非线性控刳理论.船舶运动控刳.256?电机与控制第7卷发电机的励磁控制是提高电力系统稳定性的基本途径之一,这方面已有大量的研究结果.文献【3】基于迭代设计方法,根据求解耗散不等式,对多机电力系统设计了分散励磁控制器,具有L:一增益意义下的鲁棒性.文献【4】对电力系统设计了非线性分散鲁棒控制器,并首次运用发电机交互项的非线性约束获得控制增益,提出的控制器对网络参数的变化具有鲁棒性.文献【5】应用预测控制理论提出了一种单机

6、无穷大系统励磁控制策略,该控制策略以有功功率,角速度和机端电压为变量,仿真结果表明该控制策略既能改善功角稳定性,又能改善机端电压的动态特性.文献【61对接人多机电力系统的同步发电机,通过对状态和干扰的估计,实现非线性电力系统的反馈线性化,设计了基于鲁棒滑模观测器的非线法设计了电力系统分散H励磁控制策略,仿真结果表明该控制策略可阻尼电力系统内部振荡,加强电力系统稳定性.在上述研究工作中,大多基于对非线性系统模型的线性化,且较少考虑干扰对系统的影响.目前,电力系统非线性鲁棒控制的基本方法主要有二种.第一种方法是对等效的线性系统应用线性系统鲁棒控制理论加以分析设计,以提高非线性系统的鲁棒性;理论上,

7、满足一定条件的非线性系统的干扰通过状态变换后可以变换成线性系统的干扰,然后可以非线性系统变换成一个新的等效标准型非线性系统,将这个新的非线性系统表示为带非线性干扰项的线性系统,然后应用各种鲁棒性的控制方法进行设计.文本对单机无穷大系统的励磁控制,通过适当的坐标变换,基于耗散系统的概念,提出了一种新的通过干扰抑制实现的励磁控制策略,在实现过程中动态不确定性的鲁棒性,可抑制干扰对系统的影响.2干扰抑制实现问题干扰抑制是指对所控的附加干扰的系统,通过选择适当的控制策略,降低干扰对系统输出的影响,并同时实现系统的全局渐近稳定性.在此,针对一类附加干扰的非线性系统,基于耗散系统概念提出实现干扰抑制的反馈

8、控制策略的设计方法Pl.定理1嘲设非线性系统(1)是由二个子系统的反馈交互构成三=f(z,p)(=q(z,(,p)+"(1)Y=h(z,)式中:状态变量(z,OER×R;f(z,P),q(z,p),h(z,)为光滑函数,而且f(O,0,0)=0,q(O,0,0)=0,h(O,0)=0;干扰pR;"为控制输入.对系统(1)做如下假设:f(z,一(z,0)与无关;对某个光滑实值函数R.(z,D,对所有(z,D和所有P,Iq(z,p)一q(z,0)IR.(z'Olpl;存在一个数>O,一个正定光滑实值函数(Z)和一个k类函数.(?),使得,对所有z

9、和所有P,有(z,0,p)一aco(1lzl1)+,Ph2(z,0)(2)则对某个e>O,存在一个光滑反馈规则"=u(z,),一个正定严格光滑函数W(z,),和一k类函数(?),使得,对所有(z,)和所有P,有,)+【q(z,(z,一'(1lxl1)+(+s)2p一l(z,)其中x=col(z,).定理2嗍针对非线性系统(1),假设,f(z,p)-f(z,0)与无关;对光滑实值函数Ro(z)和R.(z,D,对所有(D和所有P,If(z',p)一f(z,0)1<Ro(z)lPl,Iq(z,P)一q(z,0)IRl(z'Olpl;存在一

10、个数>0,一个光滑实值函数(z),(0)=0,一个正定光滑实值函数rz)和一个k类函数0cD(?),使得,对所有z和所有P,有(z,(z),p)一.(1IzlI)+一h2(z,(z)(3)则对某个e>O,存在一个光滑反馈规则"=u(z,D,一个正定严格光滑函数w(z,D,和一个k类函数(?),使得,对所有(Z,)和所有P,有f(z【q(+一(0xII)+(+)一h2(z,)其中x=col(z,).即系统(1)是关于供给率q(p,=O+一Jl2(z,D严格耗散的.由此可知,在反馈"="(z,D作用下,系统(1)是全局渐近稳定的,且输出的范

11、数与干扰P的厶范数的比值小于等于+.定理证明过程见附录【9I.3附加干扰的单机无穷大系统模型单机无穷大系统如图l所示.这里做如下假设:忽略定子回路电阻和转子阻尼绕组的影响;不第3期基于耗散系统实现电力系统励磁鲁棒非线性控制257考虑调速器的调节作用,即=P_.;采用可控硅快速励磁方式,即励磁机时间常数=0;忽略输电线的动态过程.圈1单机无穷大系统针对图1所示的系统可知,发电机励磁系统数学模型方程可表示为=一1)coo1.I击=÷(一P,-D(co-1)09o)I(4).I?1l寺一Eq)J=争一gcos【5)如果在忽略变压器,输电线路电阻上的有功功率损耗,忽略暂态凸极效应的情况下,送

12、人无穷大系统的有功功率即为发电机输出的有功功率,有功功率表达式为:sira5(6)在方程(4),(5),(6)中:为转子运行角;09为转子角速度;COo为同步角速度;为机械功率;.为机械功率稳态值;尸|为有功功率;D为阻尼系数;为惯性时间常数;为q轴暂态电势;为空载电势;T二0为励磁绕组进间常数;xz=x+xr+xL;xr为变压器电抗;为输电线路电抗;xz=+xt+xL;xd为直轴电抗;Xde为直轴暂态电抗;E为控制输入.由方程(6)可见,发电机输出的有功功率的表达式是一个非线性方程,现有将有功功率引入作为一个状态变量,对式(6)求导数,并结合式(5)得=一笔+专Ec0s一1)+V,cosfi

13、sinfi(xa-xj)+Efd(7)xrdJz"在电力系统的实际运行中,存在着各种不确定性,干扰对控制系统的影响有可能是巨大的,为检验干扰对系统稳定性的影响,对控制输入E引入干扰tl=一+cot&Oo&oP.+Vcos6sin6(xa一)+snE,d(8)由于选择适当的反映影响发电机稳定性的变量,有助于控制策略的设计,在此令=6一氏Aco=09一lAP,=一联合式(4),(7),(8),由此得到以新的状态变量表示,并附加干扰的励磁系统数学模型方程为M=aaxoo'专(-DaOXOo)=一i+cotoAp+丧sin+"(9)4电力系统

14、励磁鲁棒非线性控制(RNC)根据定理1和定理2的方法,对励磁系统模型方程(9)设计反馈控制策略.为验证方程(9)是否满足定理2的各种假设条件,现按照系统(1)式的形式,进行如下设置z=【aro,=ApY=,l(z,)=+Aco+pr(-DJq(z,p)=一贵AP.+cot&OoAcoAP.+.一了_sinb'P根据定理2计算可知,f(z,p)一f(z,o)-0,与无关;对R.(z)=0,R(z,=/ox,对所有(z,)和所有P,If(z,p)一f(z,0)IRo(z)lPl,Iq(z,p)一q(z,0)IR(z,Olpl;选择(z)=一Dco0Aco,V(z)-0.5A

15、6+0.5Aco,oc0(?)=6+A09,如果【26+2Aco+(090A一Ocooaco)】,可使式(3)成立.可见,定理2的各条件得到满足,因此对某个>0,存在一个光滑反馈规则"=u(z,(),一个正定光滑函数(z,O,和一个尼类函数oc(?),使得对所有(z,)和所有Pf(zp)+詈【q(zp)+")】一e(1lxl1)+(',+)P一h2(z,D其中x=col(z,=co1(A6,Ao,p.4.2励磁鲁棒非线性控制(RNC)设计258电机与控制第7卷根据附录中定理2的证明,对系统(9)做坐标5系统仿真变换,=(一(z),在新坐标系下,系统(9

16、)表示为=o面击(一叩一oa,D,f(一+cot6o一专.coo+(一Xd_ox,TL-Do+cotco-Doo)+(xdzDocot6.一+.p1O)Yh(z,叩JA6+一Do)根据附录中定理1的证明可知,模型方程(10)中的反馈控制策略"可以表示为"一d叩一B(z,叩)一(z,叩)一fl(z,叩)+D1一D式中:d,为适当的正数;盹叩)=2o2DcooAco+叩;(z,叩)=一/;R(z,叩)K/(T;ox:z);虿(z,)(一嚣一专)叩+(一卷一)讲(xzDCOocot.一啊).将叩=一(z)=o+DwoAo代入式(11),联合式(8),整理得到单机无穷大系统励磁鲁棒

17、控制策略的表达式为=酱(-d-l+丧+1.一志)+(d.一.一畿+)讲(+Tox.z.42(ox)厂.+专+专D2+一堡PVcos6sin6(xd-x',)T,J:'x:xP_cot6ooA】由定理2可知,在此反馈策略作用一下,(0,09)是系统(9)的全局渐近稳定平衡点.以上研究了单机无穷大系统的励磁鲁棒非线RNC的有效性,在单机无穷大系统情况下进行了仿真,并与文献I埘中通过反馈线性化方法得到的励磁控制策略(FLC)及电力系统稳定器(Pss)进行了比较.仿真参数如下:=1.1l6,x.=0.416,xr=0.129,o=6.9,=4,D=5,xL=0.263,=1.05,d=

18、1.275.运行点为:6o=22,P=Po=0.9.在以下情况下对系统进行仿真:故障设定为在无穷大母线发生三相短路,故障切除时间为lOOms,并在2.5S处对控制输入E引入干扰p=0.5,干扰持续7.5s后消失.仿真结果见图2.其中,实线是在RNC作用下的响应曲线,虚线是在F1作用下的响应曲线,点划线是在PsS作用下的响应曲线.从角速度响应曲线可以看出,当系统发生三相对称短路时,RNC只需要大约2S时间就能使系统稳定下来,而FLC及PsS需要5S以上的时间才能稳定控制效果:从转子运行角响应曲线可以看出,FLC的功角响应曲线偏离故障前运行状态lO度以上,PsS的功角响应曲线虽然能够收敛到运行点,

19、但收敛速度较慢;从电压响应曲线可以看出,虽然F1的机端电压响应曲线的效果优于RNC,但RNC的机端电压响应曲线在2S内亦可稳定下来.另外,干扰的,一,趔,-一暑',B(a)角速度响应曲线(b)发电机功角响应曲线第3期基于耗散系统实现电力系统励磁鲁棒非线性控制259莲ds(C)机端电压响应曲线|,s(d)励磁控制信号圈2励磁控制响应引入对RNC的响应曲线几乎没有影响,RNC显示了较强的鲁棒性.6结论由于电力系统运行条件的改变,参数变化,模型的近似导致的实际控制系统模型的不确定性,使得传统的电力系统励磁控制器难以取得理想的控制效果,而文中基于耗散系统的概念,提出了一种新的通过干扰抑制实现的

20、励磁控制策略.仿真结果表明,所提出的控制策略具有较强的鲁棒性,能够有效抑制系统振荡,提高系统的动态稳定性.参考文献:powersystondynamics【M】.London:KluwerAcademicPublishem.20o1.统自动化,2001,25(3):1-10.disturbanceattenuationexeitationcontrolvianewrecursivedesignformulti?machinepowersystems【J】.IEEETransonPowerSystons,20ol,l6(4】:729736.controloflarge-scalepowerste

21、m【J】.Automatica,2000,(36):l275一l289.【5】粱志疆?张化光,王红月,等.同步发电机励磁非线性预测控制咖.中国电机工程.200o,20(12):52-孤basednonlinearcontrolofmulti-machinepowersystems【J】./EEProceeding?Generation,Transmission&Distribution.2001,148(6):623631.Hcontrolforstabilityenhancementinpowersystems【J】./EEProceedingGeneration,Trans

22、mission矗Distribution.1999,l46(1):l924.【81SUNC.ZHAOZ,SUNY.eta1.Designofnonlinearro.bustexcitationcontrolformulti-machinepowerstem【J】./EEProceeding?Generation.Transmission矗Distribution.1996,143(3):253257.【9】ISIDORIA.Nonlinearcontrolstem【M】.London;Springer,1999,184.【10AKHRIFQ,OKOUFA,DESSAINTLA,eta1.App

23、lica?tionofamultivariablefeedbacklinearizationschemeforrotoranglestabilityandvoltageregulationofpowersterns【J1.IEEETransonPowerSystem,1999,14(2):620-628.附录定理l的证明19I:令,.(z'O=f(z,('O)'Po(z'e)=f(z,(,p)一f(z,(,o)'(z'0=q(z'(,o)'并将q(z'e,p)表示为:(z'('p)=0,O+P.(z'

24、;('p).按假设,(z'e,p)IR(z'OIpI,系统(1)变为三=_,O+p.(互p)e=(z,O+pl(互e,p)+"(A1)y=h(z,O令互O=z)+0.,并观察到,(z'(,p)=詈o)+詈Po(z,p)+(z'()(=OW,(z'o'p)+(z,OeJeA(z,o是一个适当的光滑函数.进而詈【q(z,e,p)+"】=,(z,Oe+p(z,e,pX+u.最后注意到(z'O=(z,0+=f(z,0,p)+(z,+Jr(z,+P,(z,(,p+"e一o(1lzl1)+yP一h2(z,O)一B

25、(z,+曰(z,+A(z,+,.(z,+Pl(z,e,pX+"e选择,U=一d一B(z,e)一A(z,()-f.(z,O+v,其中,d>o,得到一o(1lzl1)+P-h(z,O-dP+pl(z,e,p)e+ve(下转第263页)m5Om一一一窜鼍墨第3期基于混沌预测模型的聚类自适应模糊控制器的设计2633仿真研究将基于混沌预测模型的聚类自适应模糊控制应机组即被控对象取为fx-)c2.x2=一o.08薪一o.16x2+1.58(cosxI)"86x)【y=x.图3和图4分别为75%和100%负荷下,采用一般模糊控制方案和本文混沌预测控制方案的主蒸汽压力的阶跃响应.n02一n02一nO6;7:一般模糊控制方案一一一一:一lf:厂:一:丫一,混沌预涵控制方蘖i;图3100%负荷时的阶跃响应Fig.3Stepresponseunder100%loadf,s圈475%负荷时的阶跃响应Fig.4Step陀under75%load仿真结果表明,该控制系统有效地解决了锅炉非况下主汽压能保持相当稳定,而且在机组调峰,燃烧率发生较大变化情况下(即负荷下降到原来的75%),控制机组也能快速跟踪负荷,有效地提高了系统的控制品质,满足了实际控制的要求,对改善机组调峰性能有重